專利名稱：利用平面反射鏡合光的成像系統(tǒng)及光學(xué)測(cè)量裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光學(xué)測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，更具體的涉及一種利用平面反射鏡合光的成像系統(tǒng)及光學(xué)測(cè)量裝置。
背景技術(shù)：
在光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)中，測(cè)量過程中通常需要觀測(cè)目標(biāo)樣品表面結(jié)構(gòu)和探測(cè)光束在樣品表面的形狀和位置；即，具有能夠同時(shí)觀測(cè)樣品表面結(jié)構(gòu)和探測(cè)光束在樣品表面光斑、且最小影響光學(xué)測(cè)量的成像系統(tǒng)。若要實(shí)現(xiàn)對(duì)樣品表面指定的位置進(jìn)行測(cè)量，則要求成像系統(tǒng)能夠同時(shí)觀測(cè)樣品表面結(jié)構(gòu)和探測(cè)光束在樣品表面光斑的位置，以實(shí)現(xiàn)探測(cè)光束與指定測(cè)量位置的校準(zhǔn)。另外，集成圖像識(shí)別功能的成像系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)樣品表面重復(fù)的相同結(jié)構(gòu)的自動(dòng)識(shí)別和標(biāo)定，從而實(shí)現(xiàn)測(cè)量自動(dòng)化，提高測(cè)量精度和測(cè)量速度。當(dāng)今先進(jìn)的薄膜結(jié)構(gòu)測(cè)量設(shè)備，如橢圓偏振儀和光學(xué)臨界尺度測(cè)量儀器(OCD)要求滿足盡量寬的光譜測(cè)量能力，通常為190nm至lOOOnm。由此，對(duì)光學(xué)系統(tǒng)中各個(gè)部件在寬光譜上的指標(biāo)和光學(xué)系統(tǒng)色差、像差和偏振性控制方面的設(shè)計(jì)要求都提出了更全面的更高標(biāo)準(zhǔn)的要求。在現(xiàn)今技術(shù)中，同時(shí)顯示探測(cè)光束光斑與樣品表面結(jié)構(gòu)的成像系統(tǒng)主要通過集成在光學(xué)系統(tǒng)中的分光器實(shí)現(xiàn)；分光器使部分測(cè)量光束及照明光束入射在樣品表面樣品，并且將部分測(cè)量光束及照明光束在樣品表面的反射光束合并，而后導(dǎo)入同一圖像探測(cè)器成像。分光器可為分光薄片、分光棱鏡、薄膜分光器(Pellicle Beamsplitter).如圖1所示， 探測(cè)光束103垂直入射至樣品102的情況下，探測(cè)光束103經(jīng)分光器101透射后聚焦在樣品102表面，探測(cè)光束103在樣品102表面的反射光束入射至分光器101后，其反射光束經(jīng)分光器104和透鏡105聚焦在圖像探測(cè)器106上。照明光束107先后經(jīng)分光器104反射及分光器101反射后入射至樣品102表面(光路未示出)。照明光束107在樣品102表面的反射光束經(jīng)分光器104反射和透鏡105聚焦在圖像探測(cè)器106上。此過程可認(rèn)為探測(cè)光束 103和照明光束107合并為一路光束入射在樣品102表面，探測(cè)光束103和照明光束107在樣品102表面的反射光束為一路光束入射在圖像探測(cè)器106上。圖1示例中，探測(cè)光束103 為會(huì)聚光束，且探測(cè)光束103經(jīng)分光器101透射后入射在樣品102上。圖2示例為探測(cè)光束103為平行光束情況，且探測(cè)光束103經(jīng)分光器101反射后，經(jīng)透鏡108使平行光會(huì)聚入射在樣品102表面。照明光束107與探測(cè)光束103在樣品102表面的反射光束依次透射經(jīng)分束器101、照明分束器104、透鏡105后，入射至圖像探測(cè)器106。此例中，由于分光器皆處于平行光入射狀態(tài)，所以較適合分光棱鏡。以上兩個(gè)實(shí)例中，僅描述了正入射情況；在準(zhǔn)正入射或小角度入射情況下，通過調(diào)整照明光束107，仍可做到合光成像；此時(shí)探測(cè)光束103 將不受分光器101影響直接入射至樣品表面。在分光器為分光薄片的情況下，分光薄片與光束主光需成45度角使用，如美國專利US7505133B1所示。此結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)為1)薄片的兩個(gè)面可形成重影，影響成像質(zhì)量、位置校準(zhǔn)及測(cè)量。2、無論透射或反射，光束經(jīng)過分光薄片后，偏振態(tài)發(fā)生變化；若要實(shí)現(xiàn)探測(cè)光束的偏振控制，需在分光器與樣品之間設(shè)置偏震器；如此成像受到樣品偏振特性及探測(cè)光束偏振狀態(tài)的限制。3)在寬波段光束透射情況下，當(dāng)光束為平行光束時(shí)，會(huì)產(chǎn)生色差； 當(dāng)光束為會(huì)聚或發(fā)散光束時(shí)，使得光束成像沿單一方向分開，可嚴(yán)重影響表面結(jié)構(gòu)不均勻樣品的測(cè)量和成像；此問題可通過另設(shè)置完全相同的分光薄片修正色差及由不同入射角引起的像差，但增加了系統(tǒng)復(fù)雜度。另一種基于分光薄片的分光器為點(diǎn)格分光鏡(Polka-dot Beamsplitter)(如美國專利M50M0，EdmundOptics點(diǎn)格分光鏡)或厚度僅為100微米的點(diǎn)格分光鏡(如美國專利US6525884B2)，其結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)為反射光束可實(shí)現(xiàn)寬光譜(包括深紫外范圍)，且自身無色散；但其表面點(diǎn)格的周期性結(jié)構(gòu)會(huì)造成衍射光斑，極大的影響了測(cè)量和成像識(shí)別的準(zhǔn)確度。在分光器為分光棱鏡的情況下，其缺點(diǎn)為1)分光棱鏡難以同時(shí)實(shí)現(xiàn)寬光譜分光，通常分為400-700nm，700-1100nm，1100-1600nm三個(gè)區(qū)域，限制了測(cè)量的光譜范圍。2)
光束最好以平行光入射，若非平行光，則產(chǎn)生嚴(yán)重的色散。在分光器為偏振分光棱鏡的情況下，透射光/反射光為固定偏振方向，改變偏振態(tài)需旋轉(zhuǎn)偏振分光棱鏡、或旋轉(zhuǎn)樣品或另設(shè)起偏器，實(shí)現(xiàn)非常復(fù)雜。在分光器為薄膜分光器(Pellicle Beamsplitter)的情況下，其結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)為1)薄膜厚度僅為2微米，受環(huán)境影響大，極易破損，無法清理表面，成本高。2)薄膜對(duì)紫外波段存在吸收。以上實(shí)例中，光束(主要考慮探測(cè)光束)每次入射至分光器，根據(jù)分光器分光比例特征造成相應(yīng)的光通量損失?；谝陨显颍糠脂F(xiàn)有技術(shù)提出了應(yīng)用反射鏡合光的的方案。如美國專利US664^95B2中所述，以具有鏤空結(jié)構(gòu)的平面反射鏡固定在光路中， 利用平面發(fā)射鏡鏤空結(jié)構(gòu)的不對(duì)稱性，使部分透過的探測(cè)光束經(jīng)樣品反射后無法從鏤空處返回，而是照射在不鏤空的部分而反射至成像系統(tǒng)。此方法的缺點(diǎn)為1)鏤空結(jié)構(gòu)的反射鏡加工困難，成本高；幻探測(cè)光束被反射鏡部分遮掩，嚴(yán)重影響探測(cè)光通量；幻探測(cè)光束在樣品表面的反射光束以大比例被具有鏤空結(jié)構(gòu)的平面反射鏡反射至圖像探測(cè)器，嚴(yán)重降低信號(hào)噪聲比。另如專利CN1658014A中所述，提出了使用可移動(dòng)的中心有圓形空心的平面反射鏡實(shí)現(xiàn)分光的方法。若將此方法應(yīng)用在合光成像系統(tǒng)中，此方法的缺點(diǎn)為1)空心結(jié)構(gòu)的反射鏡加工困難，成本高；2)由于其為中心對(duì)稱結(jié)構(gòu)，探測(cè)光束經(jīng)樣品表面的反射光束將完全通過空心結(jié)構(gòu)返回，理論上圖像探測(cè)器中無法實(shí)現(xiàn)探測(cè)光斑的成像；3)不易實(shí)現(xiàn)對(duì)探測(cè)光斑周邊部分的高效照明。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中的上述問題，提供一種利用平面反射鏡合光的成像系統(tǒng)，所述成像系統(tǒng)完全不影響探測(cè)光路光通量、色差、像差和偏振等自身特征，可做到無重影成像，而且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低。為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供一種利用平面反射鏡合光的成像系統(tǒng)，包括成像聚光單元以及圖像探測(cè)器，所述光學(xué)成像系統(tǒng)還包括第一可移動(dòng)反射鏡，其中，第一光束射向樣品，第二光束可經(jīng)所述第一可移動(dòng)反射鏡入射到樣品，從樣品表面反射的光經(jīng)所述成像聚光單元成像到所述圖像探測(cè)器，所述第一可移動(dòng)反射鏡的非反射面朝向該第一光束來向，其反射面朝向第二光束的來向，通過移動(dòng)所述第一可移動(dòng)反射鏡，使得第一光束與第二光束重合或分離。上述方案中，所述第一可移動(dòng)反射鏡，其移動(dòng)為移入和移出所述成像系統(tǒng)的光路。上述方案中，所述重合或分離具體為當(dāng)所述第一可移動(dòng)反射鏡移入光路中時(shí)，其非反射面完全遮蔽第一光束，第二光束經(jīng)所述第一可移動(dòng)反射鏡入射到樣品，第一光束和第二光束分離；當(dāng)所述第一可移動(dòng)反射鏡部分地移出光路，其非反射面部分地遮蔽第一光束，第一光束的未遮蔽部分入射到樣品，第二光束經(jīng)所述第一可移動(dòng)反射鏡入射到樣品，第一光束和第二光束重合；當(dāng)所述第一可移動(dòng)反射鏡完全移出光路，第一光束不受遮蔽地直接入射到樣品，第二光束不入射到樣品，第一光束和第二光束完全分離。上述方案中，所述第一光束和第二光束垂直入射到樣品表面或傾斜入射到樣品表面。上述方案中，當(dāng)?shù)谝还馐偷诙馐怪比肷涞綐悠繁砻鏁r(shí)，所述的光學(xué)成像系統(tǒng)還包括一分光器，位于所述第一可移動(dòng)反射鏡與成像聚光單元之間，第二光束經(jīng)分光器反射或透射后入射到所述第一可移動(dòng)反射鏡；當(dāng)所述第一可移動(dòng)反射鏡移入所述成像系統(tǒng)的光路中，其非反射面完全遮蔽第一光束，第二光束經(jīng)分光器和所述第一可移動(dòng)反射鏡后入射到樣品表面，樣品表面的反射光經(jīng)所述第一可移動(dòng)反射鏡和分光器，通過所述成像聚光單元，成像到所述圖像探測(cè)器；當(dāng)所述第一可移動(dòng)反射鏡部分地移出所述成像系統(tǒng)的光路，其非反射面部分地遮蔽第一光束，第一光束的未遮蔽部分入射到樣品表面，第二光束經(jīng)分光器和所述第一可移動(dòng)反射鏡后入射到樣品表面，且第一光束和第二光束重合，樣品表面的反射光經(jīng)所述第一可移動(dòng)反射鏡和分光器，通過所述成像聚光單元，成像到所述圖像探測(cè)器；當(dāng)所述第一可移動(dòng)反射鏡完全移出所述成像系統(tǒng)的光路，則第一光束不受遮蔽地入射到樣品表面，第二光束不入射到樣品表面。上述方案中，當(dāng)?shù)谝还馐偷诙馐鴥A斜入射到樣品表面時(shí)，所述的光學(xué)成像系統(tǒng)還包括第二可移動(dòng)反射鏡，其位于樣品與所述成像聚光單元之間，當(dāng)所述第一可移動(dòng)反射鏡移入所述成像系統(tǒng)的光路中，其非反射面完全遮蔽第一光束，第二光束經(jīng)第一可移動(dòng)反射鏡后入射到樣品表面，樣品表面的反射光經(jīng)所述第二可移動(dòng)反射鏡反射后，通過所述成像聚光單元，成像到所述圖像探測(cè)器；當(dāng)所述第一可移動(dòng)反射鏡部分地移入所述成像系統(tǒng)的光路中，使得其非反射面部分地遮蔽第一光束，第一光束的未遮蔽部分入射到樣品表面，第二光束經(jīng)所述第一可移動(dòng)反射鏡反射后入射到樣品表面，且第一光束和第二光束重合，樣品表面的反射光經(jīng)第二可移動(dòng)反射鏡反射后，通過所述成像聚光單元，成像到所述圖像探測(cè)器；當(dāng)所述第一可移動(dòng)反射鏡和第二可移動(dòng)反射鏡完全移出所述成像系統(tǒng)的光路， 則第一光束不受遮蔽地入射到樣品表面，第二光束不入射到樣品表面，第一光束經(jīng)樣品表面反射后不入射到圖像探測(cè)器。上述方案中，所述分光器為薄膜分光器、具有狹縫的平面反射元件、分光薄片、分光棱鏡或點(diǎn)格分光器，所述圖像探測(cè)器為CCD或CMOS。上述方案中，所述圖像探測(cè)器與所述成像聚光單元構(gòu)成遠(yuǎn)心成像系統(tǒng)。本發(fā)明還提供一種光學(xué)測(cè)量裝置，其具有如前所述的成像系統(tǒng)，其中第一光束為探測(cè)光束，第二光束為照明光束。本發(fā)明中，所述可移動(dòng)的平面反射鏡相對(duì)于光路的位置和與光束的重疊面積可調(diào)節(jié)；根據(jù)測(cè)量光路特征、照明光路特征、樣品反射特征等，可調(diào)整至最佳位置。鑒于運(yùn)用上述技術(shù)方案，本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有下列優(yōu)點(diǎn)和效果本發(fā)明可滿足樣品表面結(jié)構(gòu)識(shí)別、測(cè)量點(diǎn)與探測(cè)光斑位置校準(zhǔn)和光學(xué)測(cè)量三種狀態(tài)，及三種狀態(tài)之間的切換。本發(fā)明進(jìn)行測(cè)量時(shí)，成像系統(tǒng)完全不影響測(cè)量光路光通量、色差、像差和偏振等特征。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低?？杉烧彰鞴饴罚勺龅綗o重影成像。


圖1為現(xiàn)有技術(shù)中探測(cè)光束透射通過分光器探測(cè)的示意圖；圖2為現(xiàn)有技術(shù)中探測(cè)光束反射通過分光器探測(cè)的示意圖；圖3a為垂直入射結(jié)構(gòu)的樣品測(cè)量流程圖；圖北為垂直入射結(jié)構(gòu)的測(cè)量點(diǎn)識(shí)別示意圖；圖3c為垂直入射結(jié)構(gòu)的測(cè)量點(diǎn)與探測(cè)光斑位置校準(zhǔn)示意圖；圖3d為垂直入射結(jié)構(gòu)的樣品測(cè)量示意圖；圖!Be為垂直入射結(jié)構(gòu)的全反射成像示意圖；圖3f為垂直入射結(jié)構(gòu)的成像實(shí)驗(yàn)如為斜入射結(jié)構(gòu)的樣品測(cè)量流程圖；圖4b為斜入射結(jié)構(gòu)中應(yīng)用可移動(dòng)的平面反射元件示意圖；圖如為斜入射結(jié)構(gòu)中應(yīng)用具有狹縫的平面反射元件示意圖；圖4d為斜入射結(jié)構(gòu)圖像探測(cè)器角度與平面反射鏡位置關(guān)系示意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)描述。對(duì)樣品表面多個(gè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量的過程通常包括(1)測(cè)量點(diǎn)識(shí)別及定位，即確定每個(gè)測(cè)量點(diǎn)的坐標(biāo)，測(cè)量時(shí)能夠?qū)悠飞蠝y(cè)量點(diǎn)調(diào)整至圖像探測(cè)器所能觀察的范圍內(nèi)；(2) 樣品表面測(cè)量點(diǎn)與探測(cè)光束光斑位置校準(zhǔn)，即通過微調(diào)樣品平臺(tái)使測(cè)量點(diǎn)與探測(cè)光束位置重合；(3)對(duì)測(cè)量點(diǎn)實(shí)施測(cè)量。下面給出測(cè)量過程中使用的能同時(shí)顯示探測(cè)光束光斑與樣品表面結(jié)構(gòu)的成像系統(tǒng)。并將根據(jù)本發(fā)明之垂直入射和傾斜入射兩種情況為具體實(shí)施例，逐步揭示發(fā)明特點(diǎn)和操作過程。實(shí)施例1如圖北所示，本實(shí)施例成像系統(tǒng)包括第一可移動(dòng)反射鏡201、樣品202、探測(cè)光束 203、分光器204、成像聚光單元205、圖像探測(cè)器206及照明光束207。本實(shí)施例的流程圖由圖3a示出，其關(guān)鍵步驟的具體技術(shù)方案如下測(cè)量點(diǎn)識(shí)別及定位時(shí)，如圖北所示，第一可移動(dòng)反射鏡201移入探測(cè)光束203中， 探測(cè)光束203完全入射至第一可移動(dòng)反射鏡201的非反射面，被完全遮擋；照明光束207經(jīng)分光器204反射后，入射至第一可移動(dòng)反射鏡201的反射面，經(jīng)第一可移動(dòng)反射鏡201反射后，照射于樣品202表面(光路未示出)。照明光束207在樣品202表面的反射光束經(jīng)可移動(dòng)的平面反射鏡201反射后，透射通過分光器204及成像聚光單元205，會(huì)聚至圖像探測(cè)器 206。樣品202表面與圖像探測(cè)器206平面互為焦平面，樣品202表面在圖像探測(cè)器206成清晰的像。在此情況下，圖像探測(cè)器中僅成樣品202表面的像。在此情況下，可通過圖像識(shí)別搜索，從而確定樣片表面的測(cè)量點(diǎn)位置，可一次性標(biāo)定所有測(cè)量點(diǎn)。樣品表面測(cè)量點(diǎn)與探測(cè)光束光斑位置校準(zhǔn)時(shí)，如圖3c所示，第一可移動(dòng)反射鏡 201與探測(cè)光束203部分相交，第一可移動(dòng)反射鏡201的非反射面不完全遮擋探測(cè)光束 203，即，其非反射面與探測(cè)光束203成銳角，未遮擋的探測(cè)光束203會(huì)聚于樣品202表面。 在此情況下，第一可移動(dòng)反射鏡201反射面接收所述探測(cè)光束203在樣品表面的反射光束； 經(jīng)第一可移動(dòng)反射鏡201反射后，透射通過分光器204及成像聚光單元205，會(huì)聚至圖像探測(cè)器206。同時(shí)，照明光束207經(jīng)分光器反射204后，入射至第一可移動(dòng)反射鏡201反射面， 經(jīng)第一可移動(dòng)反射鏡201反射后，照射于樣品202表面(光路未示出)，且照明光束和探測(cè)光束重合。照明光束207在樣品表面的反射光束經(jīng)第一可移動(dòng)反射鏡201反射后，透射通過分光器204及成像聚光單元205，會(huì)聚至圖像探測(cè)器206。樣品202表面與圖像探測(cè)器 206平面互為焦平面，則探測(cè)光束203在樣品202表面的光斑與樣品202表面在圖像探測(cè)器206可同時(shí)成清晰的像。通過水平調(diào)整樣品202位置，實(shí)現(xiàn)樣品202表面測(cè)量點(diǎn)與探測(cè)光束203光斑位置校準(zhǔn)。在此情況下，第一可移動(dòng)反射鏡201起到了將探測(cè)光束203與照明光束207在樣品表面合并至一起，在樣品202表面反射后同步成像的效果。如圖3f中所示，中心亮斑為所述探測(cè)光束203所成圖像，直徑約為150微米；整體圖像背景為芯片樣品 202表面圖案，為照明光束207所成圖像。圖中較暗方形區(qū)域?yàn)闇y(cè)量點(diǎn)，樣品202位置可以調(diào)整；調(diào)整時(shí)，探測(cè)光束203光斑位置不變，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)每個(gè)測(cè)量點(diǎn)逐一校準(zhǔn)。當(dāng)為上述測(cè)量點(diǎn)識(shí)別及定位時(shí)，探測(cè)光束203所成中心亮斑消失；當(dāng)對(duì)測(cè)量點(diǎn)實(shí)施測(cè)量時(shí)，無圖像。樣品進(jìn)行測(cè)量時(shí)，如圖3d所示，第一可移動(dòng)反射鏡201移出光路，所處位置與探測(cè)光路203及照明光路207完全沒有任何重疊；即探測(cè)光束203及探測(cè)光束203在樣品表面測(cè)量點(diǎn)的反射光束與第一可移動(dòng)反射鏡201完全不相交，并且照明光路207與第一可移動(dòng)反射鏡201完全不相交，使照明光束完全不影響測(cè)量。會(huì)聚的探測(cè)光束203垂直于樣品202 表面入射，且聚焦于樣品202表面。探測(cè)光束203在樣品表面的反射光束沿探測(cè)光束203 入射方向反向傳播，進(jìn)入測(cè)量探測(cè)器(未示出)，實(shí)現(xiàn)對(duì)樣品202表面一個(gè)測(cè)量點(diǎn)的測(cè)量。本實(shí)施例中，所述圖像探測(cè)器206可為CXD或CMOS探測(cè)器。本實(shí)施例中，分光器204可為薄膜分光鏡(Pellicle Beamsplitter).由于薄膜分光鏡厚度僅為幾個(gè)微米量級(jí)，造成的重影和像差均可忽略；特點(diǎn)在于，自身無色散、無像差、無重影。實(shí)施例中，分光器204可為具有夾縫的平面反射鏡，特點(diǎn)在于，自身無色散、無像差和無重影。實(shí)施例中，分光器204可為分光薄片或點(diǎn)格分光器，但透射時(shí)會(huì)造成非對(duì)稱色差，且點(diǎn)格分光器產(chǎn)生衍射光斑，影響成像質(zhì)量。實(shí)施例中，分光器204可為棱鏡分光器， 但非平行光透射時(shí)會(huì)造成色散，影響成像質(zhì)量。本實(shí)施例中，如圖!Be所示，入射圖像探測(cè)器206的光束，即探測(cè)光束203在樣品表面的反射光束或照明光束207在樣品表面的反射光束，可經(jīng)分光器204反射后，經(jīng)聚光單元會(huì)聚至圖像探測(cè)器206。在此情況下，分光薄片反射面對(duì)成像光束不造成色散及像差影響， 但仍存在重影；對(duì)于分光棱鏡和薄膜分光器，成像效果與上述透射情況效果相同。對(duì)于具有夾縫的平面反射鏡，存在照明光強(qiáng)與成像光強(qiáng)的相互制衡。
本實(shí)施例中，樣品表面測(cè)量點(diǎn)與探測(cè)光束光斑位置校準(zhǔn)時(shí)，所述可移動(dòng)的平面反射鏡起到了將所述探測(cè)光束和所述照明光束在樣品表面合并至一起的效果。在所述圖像探測(cè)器中，探測(cè)光束光斑與樣品表面共同成像；由此可實(shí)現(xiàn)探測(cè)光束光斑與樣品表面結(jié)構(gòu)的位置校準(zhǔn)。所述可移動(dòng)的平面反射鏡相對(duì)于光路的位置和重疊面積可調(diào)節(jié)，根據(jù)測(cè)量光路特征、照明光路特征、樣品反射特征等，可確定至最佳位置。此外，所述成像聚光單元、圖像探測(cè)器及樣品表面可形成遠(yuǎn)心光學(xué)系統(tǒng)。實(shí)施例二如圖4b所示，本實(shí)施例成像系統(tǒng)包括第二可移動(dòng)反射鏡201’和第一可移動(dòng)反射鏡201”、樣品202、探測(cè)光束203、成像聚光單元205、圖像探測(cè)器206及照明光束207。本實(shí)施例的流程圖由圖如示出，其關(guān)鍵步驟的具體技術(shù)方案如下測(cè)量點(diǎn)識(shí)別及定位時(shí)，如圖4b所示，第二可移動(dòng)反射鏡201’移入探測(cè)光束203在樣品202表面的反射光束光路中。第一可移動(dòng)反射鏡201”移入探測(cè)光束203中(虛線位置)，探測(cè)光束203完全入射至第一可移動(dòng)反射鏡201”的非反射面，被完全遮擋。照明光束 207經(jīng)第一可移動(dòng)反射鏡201”反射后，照射于樣品202表面；照明光束207在樣品202表面的反射光經(jīng)第二可移動(dòng)反射鏡201’的反射后，透射通過成像聚光單元205后，會(huì)聚至圖像探測(cè)器206。樣品202表面與圖像探測(cè)器206平面互為焦平面(成像平面)，樣品202表面在圖像探測(cè)器206成清晰的像。在此情況下，圖像探測(cè)器中僅成樣品202表面的像。在此情況下，可通過圖像識(shí)別搜索及確定樣片表面的測(cè)量點(diǎn)位置，可一次性標(biāo)定所有測(cè)量點(diǎn)。樣品表面測(cè)量點(diǎn)與探測(cè)光束光斑位置校準(zhǔn)時(shí)，第一可移動(dòng)反射鏡201”與探測(cè)光束 203部分相交，第一可移動(dòng)反射鏡201”的非反射面不完全遮擋探測(cè)光束203，即，其非反射面與探測(cè)光束203成銳角。第二可移動(dòng)反射鏡201’位置保持不變。未遮擋的探測(cè)光束203 會(huì)聚于樣品202表面，經(jīng)樣品202反射后入射至第二可移動(dòng)反射鏡201’反射面，反射后經(jīng)成像聚光單元205，會(huì)聚至圖像探測(cè)器206。同時(shí)，照明光束207經(jīng)可移動(dòng)的反射鏡反射后照射在樣品表面，且照明光束與探測(cè)光束重合在一起，在樣品202表面的反射光經(jīng)第二可移動(dòng)反射鏡201’的反射后，透射通過成像聚光單元205后，會(huì)聚至圖像探測(cè)器206(光路未示出)。樣品202表面與圖像探測(cè)器206平面互為焦平面(成像平面)，則探測(cè)光束203在樣品202表面的光斑與樣品202表面在圖像探測(cè)器206可同時(shí)成清晰的像。通過調(diào)整樣品 202位置，實(shí)現(xiàn)樣品202表面測(cè)量點(diǎn)與探測(cè)光束203光斑位置校準(zhǔn)。此情況下，所述第一可移動(dòng)反射鏡201”起到了將所述探測(cè)光束203與所述照明光束207在樣品表面合并至一起， 在樣品202表面反射后同步成像的效果。樣品進(jìn)行測(cè)量時(shí)，第二可移動(dòng)反射鏡201，和第一可移動(dòng)反射鏡201”移出光路，所處位置與探測(cè)光路203、探測(cè)光路203在樣品表面測(cè)量點(diǎn)的反射光束及照明光束207完全沒有任何重疊；即探測(cè)光束203及探測(cè)光束203在樣品表面測(cè)量點(diǎn)的反射光束與第二可移動(dòng)反射鏡201，和第一可移動(dòng)反射鏡201”完全不相交，并且照明光路207與第二可移動(dòng)反射鏡201’和第一可移動(dòng)反射鏡201”可完全不相交，使照明光束完全不影響測(cè)量。會(huì)聚的探測(cè)光束203相對(duì)于樣品202表面傾斜入射，且聚焦于樣品202表面。探測(cè)光束203在樣品表面的反射光束沿探測(cè)光束203入射方向?qū)ΨQ角度出射，進(jìn)入測(cè)量探測(cè)器(未示出)，實(shí)現(xiàn)對(duì)樣品202中一個(gè)測(cè)量點(diǎn)的測(cè)量。本實(shí)施例中，斜入射情況下，如圖4d所示，由于樣品202表面不垂直于探測(cè)光束203在樣品202表面的反射光束傳播方向，S卩，在以此反射光束傳播方向?yàn)檩S構(gòu)成的同軸光路中，樣品202表面的焦平面(成像平面)與光軸不垂直。在此情況下，圖像探測(cè)器206’ 的成像面208’需根據(jù)樣品表面202在此光學(xué)系統(tǒng)中的焦平面與光軸的角度調(diào)整，即使樣品 202表面的焦平面與圖像探測(cè)器206’的成像面重合。當(dāng)?shù)诙梢苿?dòng)反射鏡201’移入光路中時(shí)，可根據(jù)平面反射的鏡像原理，將圖像探測(cè)器206及成像聚光單元205放置在圖像探測(cè)器206’及成像聚光單元205’以第二可移動(dòng)反射鏡201’反射平面鏡像對(duì)稱的位置上。如此，樣品202表面的將成像于圖像探測(cè)器206成像面上。本實(shí)施例中，如圖如所示，第一可移動(dòng)反射鏡201”也可由含夾縫的反射鏡代替。 測(cè)量點(diǎn)識(shí)別及定位時(shí)，可關(guān)閉或遮擋探測(cè)光源；樣品表面測(cè)量點(diǎn)與探測(cè)光束光斑位置校準(zhǔn)時(shí)，開啟或不遮擋探測(cè)光源；樣品進(jìn)行測(cè)量時(shí)，關(guān)閉或遮擋照明光束207，第二可移動(dòng)反射鏡201’移出光路。如此可簡(jiǎn)化系統(tǒng)復(fù)雜度，但影響照明光束207照明效果。以上實(shí)施例中，樣品表面測(cè)量點(diǎn)與探測(cè)光束光斑位置校準(zhǔn)時(shí)，調(diào)整第二可移動(dòng)反射鏡201’位置，可實(shí)現(xiàn)圖像探測(cè)器206中成像且同時(shí)獲得部分測(cè)量信號(hào)。如此，可同時(shí)完成圖案對(duì)準(zhǔn)和測(cè)量，但在光通量，光路對(duì)稱性等方面影響測(cè)量結(jié)果。必要時(shí)，也可將第二可移動(dòng)反射鏡201’設(shè)置為固定不動(dòng)的平面反射鏡。以上兩實(shí)施例中，樣品表面測(cè)量點(diǎn)與探測(cè)光束光斑位置校準(zhǔn)時(shí)，可移動(dòng)的平面反射鏡201與第二可移動(dòng)反射鏡201’的較佳位置為略過于遮蔽位置處光束截面的一半，即重疊面積略大于50%。本發(fā)明以光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)為例，詳述了可實(shí)現(xiàn)合光的光學(xué)成像系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，但其應(yīng)用并不限于本發(fā)明所述的光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)，其可應(yīng)用于其它任何需要利用反射鏡來進(jìn)行光束合并的光學(xué)系統(tǒng)。以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，本發(fā)明可以有各種更改和變化。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種利用平面反射鏡合光的成像系統(tǒng)，包括成像聚光單元以及圖像探測(cè)器，其特征在于所述光學(xué)成像系統(tǒng)還包括第一可移動(dòng)反射鏡，其中，第一光束射向樣品，第二光束可經(jīng)所述第一可移動(dòng)反射鏡入射到樣品，從樣品表面反射的光經(jīng)所述成像聚光單元成像到所述圖像探測(cè)器，所述第一可移動(dòng)反射鏡的非反射面朝向該第一光束來向，其反射面朝向第二光束的來向，通過移動(dòng)所述第一可移動(dòng)反射鏡，使得第一光束與第二光束重合或分離。
2.如權(quán)利要求1所述的利用平面反射鏡合光的成像系統(tǒng)，其特征在于所述第一可移動(dòng)反射鏡，其移動(dòng)為移入和移出所述成像系統(tǒng)的光路。
3.如權(quán)利要求2所述的利用平面反射鏡合光的成像系統(tǒng)，其特征在于所述重合或分離具體為當(dāng)所述第一可移動(dòng)反射鏡移入光路中時(shí)，其非反射面完全遮蔽第一光束，第二光束經(jīng)所述第一可移動(dòng)反射鏡入射到樣品，第一光束和第二光束分離；當(dāng)所述第一可移動(dòng)反射鏡部分地移出光路，其非反射面部分地遮蔽第一光束，第一光束的未遮蔽部分入射到樣品，第二光束經(jīng)所述第一可移動(dòng)反射鏡入射到樣品，第一光束和第二光束重合；當(dāng)所述第一可移動(dòng)反射鏡完全移出光路，第一光束不受遮蔽地直接入射到樣品，第二光束不入射到樣品，第一光束和第二光束完全分離。
4.如權(quán)利要求3所述的利用平面反射鏡合光的成像系統(tǒng)，其特征在于所述第一光束和第二光束垂直入射到樣品表面。
5.如權(quán)利要求3所述的利用平面反射鏡合光的成像系統(tǒng)，其特征在于所述第一光束和第二光束傾斜入射到樣品表面。
6.如權(quán)利要求4所述的利用平面反射鏡合光的成像系統(tǒng)，其特征在于還包括一分光器，位于所述第一可移動(dòng)反射鏡與成像聚光單元之間，第二光束經(jīng)分光器反射或透射后入射到所述第一可移動(dòng)反射鏡；當(dāng)所述第一可移動(dòng)反射鏡移入所述成像系統(tǒng)的光路中，其非反射面完全遮蔽第一光束，第二光束經(jīng)分光器和所述第一可移動(dòng)反射鏡后入射到樣品表面，樣品表面的反射光經(jīng)所述第一可移動(dòng)反射鏡和分光器，通過所述成像聚光單元，成像到所述圖像探測(cè)器；當(dāng)所述第一可移動(dòng)反射鏡部分地移出所述成像系統(tǒng)的光路，其非反射面部分地遮蔽第一光束，第一光束的未遮蔽部分入射到樣品表面，第二光束經(jīng)分光器和所述第一可移動(dòng)反射鏡后入射到樣品表面，且第一光束和第二光束重合，樣品表面的反射光經(jīng)所述第一可移動(dòng)反射鏡和分光器，通過所述成像聚光單元，成像到所述圖像探測(cè)器；當(dāng)所述第一可移動(dòng)反射鏡完全移出所述成像系統(tǒng)的光路，則第一光束不受遮蔽地入射到樣品表面，第二光束不入射到樣品表面。
7.如權(quán)利要求5所述的利用平面反射鏡合光的成像系統(tǒng)，其特征在于還包括第二可移動(dòng)反射鏡，其位于樣品與所述成像聚光單元之間，當(dāng)所述第一可移動(dòng)反射鏡移入所述成像系統(tǒng)的光路中，其非反射面完全遮蔽第一光束，第二光束經(jīng)第一可移動(dòng)反射鏡后入射到樣品表面，樣品表面的反射光經(jīng)所述第二可移動(dòng)反射鏡反射后，通過所述成像聚光單元，成像到所述圖像探測(cè)器；當(dāng)所述第一可移動(dòng)反射鏡部分地移入所述成像系統(tǒng)的光路中，使得其非反射面部分地遮蔽第一光束，第一光束的未遮蔽部分入射到樣品表面，第二光束經(jīng)所述第一可移動(dòng)反射鏡反射后入射到樣品表面，且第一光束和第二光束重合，樣品表面的反射光經(jīng)第二可移動(dòng)反射鏡反射后，通過所述成像聚光單元，成像到所述圖像探測(cè)器；當(dāng)所述第一可移動(dòng)反射鏡和第二可移動(dòng)反射鏡完全移出所述成像系統(tǒng)的光路，則第一光束不受遮蔽地入射到樣品表面，第二光束不入射到樣品表面，第一光束經(jīng)樣品表面反射后不入射到圖像探測(cè)器。
8.如權(quán)利要求6所述的利用平面反射鏡合光的成像系統(tǒng)，其特征在于所述分光器為薄膜分光器、具有狹縫的平面反射元件、分光薄片、分光棱鏡或點(diǎn)格分光器。
9.如權(quán)利要求1所述的利用平面反射鏡合光的成像系統(tǒng)，其特征在于所述圖像探測(cè)器為CCD或CMOS。
10.如權(quán)利要求1所述的利用平面反射鏡合光的成像系統(tǒng)，其特征在于所述圖像探測(cè)器與所述成像聚光單元構(gòu)成遠(yuǎn)心成像系統(tǒng)。
11.如權(quán)利要求3所述的利用平面反射鏡合光的成像系統(tǒng)，其特征在于當(dāng)?shù)谝豢梢苿?dòng)反射鏡部分地移除所述光學(xué)成像系統(tǒng)的光路時(shí)，其非反射面與第一光束的重疊面積略大于遮蔽位置處第一光束橫截面積的一半。
12.一種光學(xué)測(cè)量裝置，其特征在于具有如以上任何一權(quán)利要求所述的成像系統(tǒng)，其中第一光束為探測(cè)光束，第二光束為照明光束。
全文摘要
本發(fā)明屬于光學(xué)測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，更具體的涉及利用一個(gè)利用平面反射鏡合光的成像系統(tǒng)及光學(xué)測(cè)量裝置，所述成像系統(tǒng)包括成像聚光單元、圖像探測(cè)器以及第一可移動(dòng)反射鏡，其中，第一光束射向樣品，第二光束經(jīng)所述第一可移動(dòng)反射鏡入射到樣品，從樣品表面反射的光由所述成像聚光單元成像到所述圖像探測(cè)器，所述第一可移動(dòng)反射鏡位于系統(tǒng)光路中或光路外，使得第一光束與第二光束重合或分離，通過調(diào)整第一可移動(dòng)反射鏡，實(shí)現(xiàn)測(cè)量點(diǎn)識(shí)別及定位、樣品表面測(cè)量點(diǎn)與探測(cè)光束光斑位置校準(zhǔn)以及測(cè)量。本發(fā)明完全不影響探測(cè)光路光通量、色差、像差和偏振等自身特征，可做到無重影成像，而且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低。
文檔編號(hào)G01B11/00GK102455511SQ20101052433
公開日2012年5月16日 申請(qǐng)日期2010年10月28日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月28日
發(fā)明者嚴(yán)曉浪, 劉濤, 夏洋, 李國光, 艾迪格·基尼歐, 馬鐵中 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院微電子研究所, 北京智朗芯光科技有限公司